Présentation PowerPoint - Institut Supérieur de Sciences

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25/02/2015
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique de Tunisie
‫وزارة التعليم العالي والبحث العلمي‬
Electronique analogique et numérique
DISCIPLINE:
ELECTRONIQUE ET MICROELECTRONIQUE
M. Kthiri Moez
Docteur de l’Université de Bordeaux 1
Spécialité: électronique
2014/2015, ISSAT de Mateur-Tunisie
Semi-conducteur
Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques
d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer
à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En
d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est
intermédiaire entre celle des métau et celle des isolants
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Description
 Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à
l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur
possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de
valence puissent facilement rejoindre la bande de conduction. Si un potentiel électrique
est appliqué à ses bornes, un faible courant électrique apparait, provoqué à la fois par le
déplacement des électrons et par celui des « trous » qu'ils laissent dans la bande de
valence.
 La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être contrôlée par dopage, en
introduisant une petite quantité d'impuretés dans le matériau afin de produire un excès
d'électrons ou un déficit. Des semi-conducteurs dopés différemment peuvent être mis en
contact afin de créer des jonctions, permettant de contrôler la direction et la quantité de
courant qui traverse l'ensemble. Cette propriété est à la base du fonctionnement des
composants de l’électronique moderne : diodes, transistors, etc.
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Description
Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de
ses bonnes propriétés, et de son abondance naturelle même s'il existe également des
dizaines d'autres semi-conducteurs utilisés, comme le germanium, l'arséniure de
gallium ou le carbure de silicium.
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Historique
 1833 : Michael Faraday remarque l'augmentation du pouvoir conducteur de certains
métaux lorsque l'on augmente la température, contrairement aux métaux classiques
dont la résistivité augmente avec la température.
 1839 : Antoine Becquerel découvre l'effet photovoltaïque. Il constate une différence de
potentiel en éclairant le point de contact entre un conducteur et un électrolyte.
 1879 : Effet Hall. Edwin Herbert Hall découvre une différence de potentiel dans le
cuivre dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique.
 1947 : John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain découvrent l'effet transistor.
 1954 : Fabrication des premiers transistors en silicium.
 1961 : Théorie moderne des semi-conducteurs. Kenneth Geddes Wilson décrit les
semi-conducteurs comme isolant à faible bande interdite.
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Structure électronique des semi-conducteurs
Principe de la structure en bandes
Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est
décrit via la théorie des bandes. Ce modèle stipule qu'un électron dans un solide ne
peut que prendre des valeurs d'énergie comprises dans certains intervalles que l'on
nomme « bandes », plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées
par d'autres « bandes » appelées bandes d'énergie interdites ou bandes interdites.
Lorsque la température du solide tend vers le zéro absolu, deux bandes d'énergie
permises jouent un rôle particulier:
la dernière bande complètement remplie, appelée « bande de
valence »
la bande d'énergie permise suivante appelée « bande de conduction »
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 La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes
de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant à elle, est soit vide
(comme aux températures proches du zéro absolu dans un semi-conducteur) soit semiremplie (comme dans le cas des métaux) d'électrons. Cependant c'est elle qui permet
aux électrons de circuler dans le solide.
 Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se
chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement de la bande de valence à
la bande de conduction et circuler dans tout le solide.
 Dans un semi-conducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées
par une bande interdite, appelée couramment par son équivalent anglais plus court
« gap ». L'unique différence entre un semi-conducteur et un isolant est la largeur de
cette bande interdite, largeur qui donne à chacun ses propriétés respectives.
 Dans un isolant cette valeur est si grande (aux alentours de 6 eV pour le diamant par
exemple) que les électrons ne peuvent passer de la bande valence à la bande de
conduction: les électrons ne circulent pas dans le solide.
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 Dans les semi-conducteurs cette valeur est plus petite (1,12 eV pour le silicium, 0,66
eV pour le germanium, 2,26 eV pour le phosphure de gallium). Si on apporte cette
énergie (ou plus) aux électrons, par exemple en chauffant le matériau, ou en lui
appliquant un champ électromagnétique, ou encore dans certains cas en l'illuminant, les
électrons sont alors capables de passer de la bande de valence à la bande de
conduction, et de circuler dans le matériau.
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Modification des caractéristiques électriques
Semi-conduction intrinsèque
 Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsqu'il est pur : il ne comporte aucune
impureté et son comportement électrique ne dépend que de la structure du matériau. Ce
comportement correspond à un semi-conducteur parfait, c'est-à-dire sans défaut
structurel ou impureté chimique. Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement
intrinsèque mais peut parfois en être proche comme le silicium monocristallin pur.
 Dans un semi-conducteur intrinsèque, les porteurs de charge ne sont créés que par
des défauts cristallins et par excitation thermique. Le nombre d'électrons dans la bande
de conduction est égal au nombre de trous dans la bande de valence.
 Ces semi-conducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les
porte à haute température.
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Dopage
 Le dopage consiste à implanter des atomes correctement sélectionnés (nommés
« impuretés ») à l'intérieur d'un semi-conducteur intrinsèque afin d'en contrôler les
propriétés électriques.
 La technique du dopage augmente la densité des porteurs à l'intérieur du matériau
semi-conducteur. Si elle augmente la densité d'électrons, il s'agit d'un dopage de type N.
Si elle augmente celle des trous, il s'agit d'un dopage de type P. Les matériaux ainsi
dopés sont appelés semi-conducteurs extrinsèques.
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Dopage N
 Le dopage de type N consiste à augmenter la densité en électrons dans le semiconducteur intrinsèque. Pour ce faire, on inclut un certain nombre d'atomes riches en
électrons dans le semi-conducteur.
 Par exemple, dans le cas du silicium (Si), les atomes de Si ont quatre électrons de
valence, chacun étant lié à un atome O voisin par une liaison covalente formant un
tétraèdre. Pour doper le silicium en N , on inclut un atome ayant cinq électrons de
valence, comme ceux de la colonne V (VA) de la table périodique: le phosphore (P),
l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb)...
 Cet atome incorporé dans le réseau cristallin présentera quatre liaisons covalentes et
un électron libre. Ce cinquième électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que
faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Aux
températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Comme l'excitation de
ces électrons ne conduit pas à la formation de trous dans ce genre de matériau, le
nombre d'électrons dépasse de loin le nombre de trous.
 Les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires.
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Dopage P
 Le dopage de type P consiste à augmenter la densité en trous dans le semiconducteur intrinsèque. Pour le faire, on inclut un certain nombre d'atomes pauvres en
électrons dans le semi-conducteur afin de créer un excès de trous. Dans l'exemple du
silicium, on inclura un atome trivalent (colonne III du tableau périodique), généralement
un atome de bore.
 Cet atome n'ayant que trois électrons de valence, il ne peut créer que trois liaisons
covalentes avec ses quatre voisins créant ainsi un trou dans la structure, trou qui pourra
être rempli par un électron donné par un atome de silicium voisin, déplaçant ainsi le
trou. Quand le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre
d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs
minoritaires.
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Jonction P-N
 Une jonction P-N est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dopé N et
d'un semi-conducteur dopé P. Si l'on applique une tension positive du côté de la région
P, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont repoussés vers la jonction. Dans le
même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés
vers la jonction.
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La jonction P-N: diode à jonction
Une diode à jonction est la juxtaposition de deux semi-conducteurs,
l’un de type P et l’autre de type N:
Nous allons étudier le comportement électrique de la diode: que se passe t-il
lorsqu’on applique une tension aux bornes de la diode ?
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Caractéristique statique d’une diode
Relevé expérimental
On observe l’évolution du courant traversant la diode en fonction de la tension à ses
bornes à l’aide du montage expérimental suivant:
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En polarisation directe:
La tension varie de 0 à +Emax. Les mesures nous donnent:
Première constatation: la caractéristique est non linéaire
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En polarisation inverse:
La tension E varie de -Emax à 0. Les mesures nous donnent:
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Interprétation de la caractéristique
La caractéristique nous indique que la diode est un dipôle non linéaire. On ne pourra
donc pas utiliser le théorème de superposition !
En polarisation directe:
La croissance du courant en fonction de la tension est d’abord exponentielle,
puis elle tend à devenir linéaire : en prolongeant la partie rectiligne AB, cette
droite coupe l’axe des tensions en un point d’abscisse Vo
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 On constate la présence d’un seuil réel de tension Vs au dessous de laquelle le
courant ID reste nul. Pour la diode 1N914, on a Vs = 0,5V.
 On préfère utiliser le seuil pratique de tension qui est l’abscisse Vo définie
précédemment. Cette valeur est plus importante que Vs : elle va nous permettre de
linéariser la caractéristique.
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En polarisation inverse:
Le courant croît très lentement avec la tension inverse. Cet effet est dû à un mauvais
isolement de la jonction donnant naissance à des courants de fuite. Le courant
inverse est très faible (de l’ordre du nano ampère) et on pourra le négliger (Id = 0).
Claquage d’une jonction (polarisation en inverse): Le courant inverse augmente
très fortement au delà d’une certaine tension inverse, appelée tension de claquage
(elle varie entre 10 et 1000 Volts suivant le type de diode). L’emballement thermique
qu’entraîne la tension de claquage détruit la diode dans la plupart des cas.
C’est par le dopage qu’on règle les seuils de claquage (seuil détenue en tension inverse). Plus
il y a d’impuretés, plus faible est le seuil de claquage.
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Equation de la caractéristique Id=f(Vd)
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Principales types des diodes
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Diode Zener
 Lorsque la diode est polarisée en inverse, le
courant inverse qui la traverse est quasiment nul.
On ne peut cependant pas augmenter indéfiniment
la tension inverse aux bornes d’une diode.
Lorsque cette tension atteint une certaine valeur,
le champ électrique qui règne dans la jonction
devient suffisamment élevé pour ioniser les atomes
en leur arrachant les électrons de valence qui
deviennent libres et génèrent un courant inverse
très important. On dit qu’il y a un effet d’avalanche
ou qu’il y a claquage de la diode.
 La tension aux bornes de la diode reste constante quel que soit le courant inverse
qui circule dans la diode. Cette tension dite tension de claquage VB (Breakdown
voltage) reste importante pour les diodes à usage général (quelques 100ène de
Volts), sa valeur est précisée par les constructeurs pour chaque type de diode.
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Diode Zener
 La diode Zener est une diode pour laquelle on a utilisé des semi-conducteurs N et
P très fortement dopés ce qui a comme effet de réduire la tension de claquage VB qui
sera appelée tension Zener VZ.
 Durant la fabrication, on sait contrôler avec précision la valeur de VZ. Les diodes
Zener sont fabriquées pour être utilisés en inverse dans la zone d’avalanche.
 Dans ce cas, la tension à ses bornes reste égale à VZ quelque soit le courant Iz
qui la traverse. On l’appelle diode stabilisatrice de tension. Evidemment, une
Zener polarisée en directe fonctionne comme une diode normale.
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Stabilisation par diode Zener
 On va essayer de stabiliser la tension aux bornes de la charge RL à l’aide d’une
diode Zener (VZ=5V).
 Pour les faibles valeurs de E, la Zener reste bloquée, la tension VL aux bornes de
RL sera calculée comme si la Zener était absente. Dès que VL dépasse VZ, la Zener
conduit et VL reste égale à VZ.
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Conclusion :
On remarque que tant que la Zener est bloquée, la tension VL aux bornes de la charge
n’est pas stabilisée. Tout se passe comme si la Zener n’était pas là.
Dès que la Zener conduit, la tension aux bornes de la charge est stabilisée à la valeur
VZ, le courant dans la charge RL reste égal à VZ/RL , et c’est le courant Iz qui circule
dans la Zener qui varie pour compenser les variations de I.
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Modélisation de la diode en régime statique
 L’équation de la caractéristique statique de la diode n’est pas très simple ni
très pratique. On va donc chercher à modéliser la diode. Le modèle doit être un
compromis entre la simplicité et la fidélité.
Simple : on ne retient que les caractéristiques, grandeurs
importantes pour le montage étudié.
 Fidèle : le modèle utilisé doit fournir des résultats
valables, réalistes.
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Diode avec seuil et résistance
En directe, la caractéristique est une exponentielle au départ, puis elle tend à
devenir linéaire. On peut donc assimiler la caractéristique à une droite à partir
de Vd = Vo.
On rappelle que Vo est l’abscisse obtenue en prolongeant la
partie rectiligne AB de la courbe réelle.
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Diode avec seuil et résistance
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Diode avec seuil
 On néglige la résistance interne de la diode et on ne tient compte que de sa
tension de seuil.
 La diode est alors équivalente à une source de tension continue idéale
Vo (en directe) : VD = Vo quel que soit la valeur du courant ID.
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Diode idéale
On néglige la tension de seuil et la résistance interne de la diode. Ce modèle
est utile pour des pré-calculs, surtout si les diodes sont dans des circuits où
les tensions sont élevées (Vo est alors négligeable devant les autres
tensions du circuit).
La diode est assimilée à un court-circuit en polarisation directe
et à un circuit ouvert en polarisation inverse.
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Applications: Utilisation des diodes
Redressement (principe utilisé dans les alimentations
continues)
Nous allons étudier le principe de fonctionnement du redressement simple
alternance. Le montage est le suivant:
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Détermination de l’état électrique de la diode
On suppose que la diode est idéale. On utilise donc la caractéristique
idéale qui nous donne:
L’équation propre au circuit est: ve(t) = Vd + R.Id = Vd + Vs
La diode est bloquée pour l’alternance négative de ve(t)
et on a alors Vs = 0.
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On suppose que la diode est idéale. On utilise donc la caractéristique
idéale qui nous donne:
L’équation propre au circuit est: ve(t) = Vd + R.Id = Vd + Vs
La diode est bloquée pour l’alternance négative de ve(t)
et on a alors Vs = 0.
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La diode est passante pour l’alternance positive de ve(t) et on a
alors Vs = ve(t).
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Diode réelle
 La diode sera passante dès que Vd ≥ Vo (Vo = 0,7V) et on a alors
Vs = ve(t) - Vo.
 La plupart du temps nous avons Ve >> Vo et on peut donc négliger la
chute de tension due à la tension de seuil de la diode. L’approximation de
la diode idéale est donc valable et largement suffisante pour cette
application.
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Calcul de la valeur moyenne
On constate que la tension redressée est toujours positive mais elle est
encore loin d’être continue. Calculons sa composante continue qui n’est
rient d’autre que sa valeur moyenne :
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Redressement double alternance
Avec 2 diodes
Pour procéder au redressement des deux alternances, il faut utiliser un
transformateur ayant deux enroulements secondaires identiques reliés en série et qui
délivre deux tensions opposées : e1 = V.sin(wt) et e2 = – e1. Le point commun aux
deux enroulements sert de référence de potentiel.
Si e1 > 0 alors e2 < 0 : la diode D1 conduit et la diode D2 est bloquée. Lors
de la demi-alternance suivante, la situation est inversée. Le courant dans la charge Ru
est unidirectionnel.
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Avec 4 diodes
 La méthode précédente ne nécessite que deux diodes mais impose l’utilisation
d’un transformateur spécial à point milieu. L’utilisation de 4 diodes permet l’emploi
d’un transformateur conventionnel.
 Ce montage constitue le pont de Graëtz. Il est commercialisé sous la forme
d’un dispositif compact muni de 4 bornes. Pendant chaque alternance 2 diodes
sont conductrices
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Avec 4 diodes
 Le redressement double alternance est
obtenu à l’aide d’un pont redresseur à 4
diodes
 Pendant l’alternance positive de Ve , les
diodes D1 et D2 sont conductrice et
alimentent la charge (VL = Ve), diodes D3
et D4 sont bloquée
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Avec 4 diodes
 Pendant l’alternance négative de Ve, les
diodes D3 et D4 sont conductrice et
alimentent la charge, (VL = -Ve) les diodes
D1 et D2 sont bloquée
La composante continue de la tension VL est doublée par rapport au redressement
de simple alternance :
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Filtrage de la tension redressée
 La tension redressée est fortement ondulée. Pour réduire cette ondulation, on
procède à un filtrage de la tension redressée à l’aide d’une capacité placée en
parallèle sur la charge R. Le circuit étudié est donc:
L’allure de la tension VL pour C=2200 μF et R=100 Ω
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L’allure de la tension VL pour différentes valeurs de C
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 La diode conduit pendant l’intervalle [a, b], la tension VC = VL suit alors la valeur
de Ve. A l’instant b, Ve diminue rapidement, la capacité ne peut pas se décharger
dans le transformateur à cause de la diode, elle va donc se décharger (alimenter)
dans la charge RL avec la constante de temps τ=RL C.
 Si la valeur de C est importante, cette décharge est lente et Ve devient très vite
inférieure à VL ce qui provoque le blocage de la diode. On constate donc que
pendant la quasi totalité du temps, la charge RL est alimentée par le condensateur
qui est rechargé à chaque période pendant l’intervalle de temps [a,b].
 La tension VL aux bornes de la charge n’est pas tout à fait continue, mais comporte
une ondulation d’amplitude ΔV qui est d’autant plus faible que la valeur de C est
élevée
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Exemple redressement simple alternance et filtrage
Le circuit étudié est
 A t=0 (mise sous tension), la capacité est déchargée. On a donc vs(t) = vc(t) = 0.
D’où ve(t) = vD(t) > 0: la diode est donc passante.
La diode est passante : vd = 0 et id >0
d’où ve(t) = vs(t) > 0
Ainsi, la capacité C se charge.
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 Au delà de Te/4, la tension ve(t) commence à décroître (il y a changement de pente).
Elle décroît plus rapidement que ne peut le faire la tension aux bornes de la capacité.
On dit que la capacité freine l’évolution de vs(t). On a donc ve(t) < vs(t) ce qui bloque la
diode (vd < 0).
Ainsi, à partir de t=T/4 la diode est bloquée d’où iD = 0
d’où le réseau RC est isolé et iR(t) =Vs(t)/R= -ic(t) = -C dvs(t)/dt
La capacité se décharge à travers R. Sa tension vs(t) va diminuer jusqu‘à l’instant où
la tension ve(t) redevient plus grande que vs(t).
Remarque: t = R*C >> T, ainsi la capacité n’a pas le temps de se
décharger complètement sur une période T (vs(t) ne s’annule pas).
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 Au delà de Te/4, la tension ve(t) commence à décroître (il y a changement de pente).
Elle décroît plus rapidement que ne peut le faire la tension aux bornes de la capacité.
On dit que la capacité freine l’évolution de vs(t). On a donc ve(t) < vs(t) ce qui bloque la
diode (vd < 0).
Ainsi, à partir de t=T/4 la diode est bloquée d’où iD = 0
d’où le réseau RC est isolé et iR(t) =Vs(t)/R= -ic(t) = -C dvs(t)/dt
La capacité se décharge à travers R. Sa tension vs(t) va diminuer jusqu‘à l’instant où
la tension ve(t) redevient plus grande que vs(t).
Remarque: t = R*C >> T, ainsi la capacité n’a pas le temps de se
décharger complètement sur une période T (vs(t) ne s’annule pas).
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En t = t2, on a ve(t) = vs(t) = Vsmin
Ainsi, à partir de t=t2 la diode conduit puisque vd = 0. La capacité se charge de
nouveau jusqu’en t3 instant où la tension ve(t) commence à décroître.
En régime permanent, la tension vs(t) varie entre Vsmax et Vsmin.
On note Δvs = (Vsmax-Vsmin)/2 l’ondulation de vs(t)
et
Δvs/<vs> est le taux d’ondulation.
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redresseurs double alternance avec filtrage par un condensateur
Dans le cas du redressement double
alternance, l’amplitude de l’ondulation est
divisée par 2, en effet, La décharge se
fait pendant une demi-période de Ve
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Transistor bipolaire à jonction PN
 Le transistor bipolaire à jonction (ou BJT, pour “Bipolar Junction Transistor”) est un
composant électronique actif, c’est-`a-dire un composant qui est capable de
transformer un signal électrique et d’en amplifier sa puissance
Le BJT est constitué d’un monocristal semi-conducteur comportant trois régions
contiguës (l’émetteur E, la base B et le collecteur C) dopées NPN ou PNP
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Il existe donc deux types de transistors bipolaires
 Les transistors NPN dans lesquels une zone de type P est comprise entre
deux zones de type N dans un monocristal de semi-conducteur.
 Les transistors PNP dans lesquels la zone du milieu est de N.
Remarque: Pour un transistor NPN on a :
- Emetteur : zone N fortement dopée,
- Collecteur : l’autre zone N faiblement dopée,
- Base : zone P mince et peu dopée.
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 Du fait que les deux zones N ont des taux de dopage très différents l’une de
l’autre, le transistor ne peut pas fonctionner d’une façon symétrique. On ne peut
donc permuter l’Emetteur et le Collecteur d’un transistor bipolaire à jonction.
 Sur le schéma électrique du transistor une flèche marque la jonction baseémetteur. Cette flèche est orientée dans le sens où la jonction base-émetteur
est passante; ainsi elle permet de distinguer les deux types de transistor.
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Principe de fonctionnement
 Nous prendrons le cas d'un type NPN pour lequel les tensions Vbe et Vce et le
courant entrant à la base sont positifs
 Dans ce type de transistor, l'émetteur, relié à la première zone N, se trouve polarisé à
une tension inférieure à celle de la base, reliée à la zone P. La diode émetteur/base se
trouve donc polarisée en direct, et du courant (injection d'électrons) circule de l'émetteur
vers la base.
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 En fonctionnement normal, la jonction base-collecteur est polarisée en inverse, ce qui
signifie que le potentiel du collecteur est bien supérieur à celui de la base. Les électrons,
qui ont pour la plupart diffusé jusqu'à la zone de champ de cette jonction, sont recueillis
par le contact collecteur.
 Idéalement tout le courant issu de l'émetteur se retrouve dans le collecteur. Ce
courant est une fonction exponentielle de la tension base-émetteur.
Polarités des tensions et sens des courants de polarisation
des transistors NPN (a) et PNP (b).
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 Le courant des trous circulant de la base vers l'émetteur ajouté au courant de
recombinaison des électrons neutralisés par un trou dans la base correspond au courant
de base Ib, grossièrement proportionnel au courant de collecteur . Cette proportionnalité
donne l'illusion que le courant de base contrôle le courant de collecteur.
 Pour un modèle de transistor donné, les mécanismes de recombinaisons sont
technologiquement difficiles à maîtriser et le gain Ic/Ib peut seulement être certifié
supérieur à une certaine valeur (par exemple 100 ou 1000).
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Relations fondamentales
Le raisonnement qui suit est valable pour les deux types de transistors bipolaires.
 Soit α la fraction des électrons, issus de l’émetteur, qui atteignent le collecteur sans
être recombinés avec les trous de la base (0.990 ≤ α ≤ 0.999).
étant le courant inverse de saturation de la jonction B-C polarisée en sens inverse ;
en combinant les deux relations précédentes, on obtient :
Ainsi, β représente l’amplification en courant du transistor appelée aussi gain statique du
transistor, de telle manière que IB soit le courant de commande et IC le courant
commandé.
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Relations fondamentales
La relation entre les tensions est donnée par :
VCE = VCB + VBE
Et vu que la jonction Base–Emetteur étant polarisée en direct, la tension VBE = 0,7V
comme pour une diode ordinaire.
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Caractéristiques statiques du transistor
Objectifs
nous allons analyser les caractéristiques statiques du transistor afin
d'étudier les différents modes de fonctionnement de celui-ci: nous parlerons alors de
polarisation du transistor. Puis nous nous intéresserons plus particulièrement au
mode de fonctionnement linéaire du transistor, mode de fonctionnement qui
débouchera sur l'étude des amplificateurs à transistors et des oscillateurs haute
fréquence.
Afin d'étudier la mode de fonctionnement du transistor, on utilise le montage
suivant:
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2N2222
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Caractéristiques à IB constant
 Si, pour différentes valeurs du courant IB (fixé par Eb et RB) on représente les
variations du courant IC et de la tension VBE en fonction de VCE, on obtient les deux
réseaux de caractéristiques dont l'allure est représentée dans les premiers et
quatrièmes quadrants. Les variations de VCE entraînent les variations de Ic et de
VBE.
Interprétation:
 Pour un courant IB donné, le courant Ic est très variable et croissant tant que la
tension VCE est inférieure à une centaine de millivolts (0,3 à 0,4V). Au-delà de cette
tension, IC varie peu : IC est pratiquement constant.
VBE = Cste (VBE= 0,6 à 0,7 V pour le silicium). On dit que la jonction B-E
est polarisée en directe. Pour une valeur fixe de IB, Ic est pratiquement constant et
indépendant de VCE:
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 C'est ce que l'on appelle l'effet transistor qui consiste à contrôler, à l'aide du courant
de base IB, relativement faible, un courant de collecteur Ic, beaucoup plus important.
On est dans la zone de fonctionnement linéaire.
On remarque que Ic < β.IB, pour une valeur donnée de IB.
La jonction B-E est polarisée en directe.
On est dans la zone de saturation.
VBE < 0,7 V La jonction B-E est bloquée.
On est dans la zone de blocage.
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Caractéristiques à VCE constant
 La tension VCE étant constante, nous donnons à IB (pris comme variable) une suite
de valeurs pour lesquelles nous relevons Ic et VBE. On obtient les deux réseaux de
caractéristiques dont l'allure est représentée dans les deuxièmes et troisièmes
quadrants
Interprétation:
 La tension VCE influe peu sur la caractéristique VBE = f(IB).
 Les caractéristiques IC = f(IB) sont des droites passant pratiquement par
l'origine. On retrouve bien la relation IC = β.IB caractéristique du fonctionnement
linéaire.
65
Relations fondamentales (résumé)
En fonctionnement linéaire:
Le transistor est alors, le plus souvent, utilisé dans un montage amplificateur.
IC = β.IB avec β =α/(1−α) = gain en courant en émetteur commun
( α varie entre 0,99 et 0,995 donc β est de l'ordre de 100)
IE = IC + IB = IC + IC/β = IC (1 + 1/β) ≈ IC
VBE = 0,6 à 0,7 V (silicium)
Le constructeur ne peut préciser la valeur exacte du gain en courant β car sa valeur varie d’un échantillon à l’autre
pour une même série de transistor. Dans les Data Book, on trouve un intervalle de valeur : par exemple, 100 < β <
300. Ainsi, les montages d’utilisation devront tenir compte de cette dispersion.
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Relations fondamentales (résumé)
Zone de saturation:
IC < β.IB
VCE = VCEsat
VCEsat est de l’ordre de 0,3 à 0,4V.
En pratique, on prendra donc VCEsat ≈ 0V.
VBE = 0,6 à 0,7 V (silicium)
Zone de blocage:
IC = IE = IB = 0
VBE < 0,7 ou 0,6 V
En pratique, il est préférable de prendre VBE < 0
67
Puissance dissipée par un transistor - domaine
utilisable
Les constructeurs précisent, pour chaque type de transistor, les valeurs à ne pas
dépasser sous peine de détruire le composant.
La puissance que peut dissiper un transistor est donnée par:
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En fonctionnement linéaire, le terme VBE*IB est négligeable (quelques µW)
devant VCE*IC. Ainsi, la puissance dissipée par le transistor est donnée par :
Les coordonnées des points pour lesquels la puissance maximale est atteinte
sont liées par la relation :
Dans le réseau de sortie, cette relation est l’équation de l’hyperbole de dissipation
maximale H :
69
Le point de fonctionnement devra donc se situer dans la zone appelée « domaine
utilisable ».
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 Il faut maintenant imposer le mode de fonctionnement du transistor (bloqué,
saturé ou linéaire). C'est à dire qu'il faut se fixer les grandeurs I C, IB, IE, VCE et VBE.
 Ces grandeurs vont être imposées par les éléments extérieurs au transistor.
Eb = Ec ou Eb # Ec. On
rencontre les deux cas.
Montage : polarisation de base
71
Suivant les valeurs de IC, IB, VCE, VBE, le transistor va fonctionner en régime linéaire,
bloqué ou saturé.
Droite de charge statique - Droite d'attaque statique
 D'après la loi des mailles appliquée sur le circuit, nous avons:
VCE = Ec - RC.IC (droite de charge)
Et
VBE = Eb - RB.IB (droite d’attaque)
Sur la caractéristique IC = f(VCE) du transistor, on
trace la droite de charge statique
VCE = Ec - RC.IC
Le point d'intersection entre la droite de charge
statique et les caractéristiques du transistor
nous donne le point de fonctionnement P0,
P1 ou P2 du montage ou point de polarisation.
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 Ce sont les éléments extérieurs au transistor qui vont fixer ce point de
fonctionnement :
- Si le point de fonctionnement est en P0 alors le transistor fonctionne
dans la zone linéaire.
- Si le point de fonctionnement est en P2 alors le transistor est bloqué.
- Si le point de fonctionnement est en P1 alors le transistor est saturé.
 Nous allons maintenant déterminer les éléments extérieurs qui vont
permettre de faire fonctionner le transistor dans l'un de ces trois modes.
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Saturation (point P1)
 Etat de la sortie Vs (sortie sur le collecteur) lorsque le transistor est saturé:
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Blocage (point P2)
 Etat de la sortie Vs (sortie sur le collecteur) lorsque le transistor est bloqué:
Les courants sont nuls. Il n'y a donc pas de chute de tension aux bornes de Rc,
d'où: Vs = Ec
75
Fonctionnement en régime linéaire (point Po)
En régime linéaire, nous avons, la plupart du temps Ec = Eb = Vcc
D’où: VCE = Ec - RC.IC
VBE = Eb - RB.IB
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CIRCUITS DE POLARISATION
Polarisation au point de repos
L’ensemble des valeurs IC0, IB0, VCE0, VBE0 définissent le point de repos (ou l’état)
du transistor
Pour connaître numériquement ces
valeurs, on fait appel à une méthode
graphique, qui consiste à représenter
dans le bon quadrant l’équation de la
maille d’entrée (la représentation est
une droite dite droite d’attaque
statique) puis celle de la maille de
sortie (droite de charge statique).
Leurs intersections avec les
caractéristiques définissent les
grandeurs de repos recherchés.
Polarisation et point de fonctionnement d’un transistor bipolaire à jonction
77
Montages de Polarisations
Il existe quatre (04) circuits de polarisation d’un transistor bipolaire : Polarisation par
pont de base, Polarisation par la base, Polarisation par rétroaction par le collecteur,
et Polarisation par l’émetteur.
Montage de polarisation
par la base
Montage de polarisation par
rétroaction par le collecteur
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Montages de Polarisations
Montage de polarisation
par pont de base.
Montage de polarisation par
l’émetteur.
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UTILISATIONS DES
TRANSISTORS BIPOLAIRES
1- Transistor en commutation
 Si le transistor fonctionne dans la zone bloquée (Ic=0) ou saturée (Vce=0) on dit qu’il
fonctionne en commutation. Ce fonctionnement sert dans les circuits numériques et les
calculateurs.
 Ainsi, le transistor agit comme un interrupteur : fermé = saturation, ouvert = blocage.
 Les montages de principe et les conditions de blocage et de saturation avec un
transistor bipolaire NPN sont donnés par les circuits suivants.
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UTILISATIONS DES
TRANSISTORS BIPOLAIRES
2- Transistor en amplification
 Si le transistor fonctionne dans la zone linéaire (normale ; IC ≈ β.IB) on dit qu’il
fonctionne en amplification.
 La figure suivante représente le principe d’amplification d’un signal sinusoïdale.
 Afin d’assurer l’amplification du tout le signal, le point de fonctionnement Q doit être
choisi le plus proche possible du milieu de la droite de charge statique.
Principe de fonctionnement d’un transistor bipolaire en amplificateur de tension.
81
AMPLIFICATEURS A FIABLES SIGNAUX
BASSES FREQUENCES (BF)
 Un amplificateur peut être toujours considéré comme un quadripôle linéaire actif. Il
comprend un élément actif (Transistor), les dispositifs nécessaires à assurer le
fonctionnement statique et les éléments de couplage et de découplage destinés à
transmettre le signal amplifié au circuit d’utilisation.
 Cependant, le transistor; tout en étant classifié dans les composants actifs ; ne fournit
pas d'énergie : il faudra donc lui associer une alimentation qui va servir à apporter les
tensions de polarisation et l'énergie que le montage sera susceptible de fournir en sortie.
Organisation générale d’un amplificateur
de tension.
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41
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Paramètres caractéristiques du montage
Un circuit d’amplification est caractérisé par les grandeurs suivantes :
Gain en tension :
Où Av est l’amplification en tension du montage définie par :
Gain en courant :
Où Ai est l’amplification en courant du montage définie par :
Gain en puissance :
Où Ai est l’amplification en puissance du montage définie par :
Impédance d’entrée :
Impédance de sortie :
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Circuits équivalents d’un transistor bipolaire en BF
En traitant le transistor comme un quadripôle,
on peut déduire son schéma équivalent hybride complet
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Les paramètres (h11, h12, h21, h22) sont obtenus de la façon suivante :
A sortie court-circuitée (Vce = 0) :
A entrée ouverte (Ib = 0) :
85
 Généralement, h12 et h22 sont de très faibles valeurs. Ainsi on peut négliger la f.é.m.
lié (h12.Vce) devant la ddp aux bornes de h11 dans la maille d’entrée, et considérer la
résistance de sortie 1/ h22 comme très grande et par conséquent, la sortie ouverte. Ce
qui nous donne le schéma équivalent hybride simplifié suivant:
Schéma équivalent hybride réduit
d’un transistor bipolaire NPN.
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Montages fondamentaux
Ils existent trois (03) montages fondamentaux d’amplificateurs de tension à
transistors bipolaires :
 Montage Emetteur Commun (EC),
 Montage Collecteur Commun (CC),
 Montage Base Commune (BC),
87
Montage Emetteur Commun (EC)
Montage Emetteur Commun
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En régime dynamique :
 La source de tension continue Vcc est une source de tension continue donc nulle en
petits signaux (régime dynamique).
 Les condensateurs de liaison C1 et C2 ainsi que le condensateur de découplage CE
ont des impédances négligeables donc peuvent être remplacés par des courtscircuits en régime dynamique.
 Le transistor est remplacé par son circuit équivalent hybride en régime dynamique BF.
89
Le circuit équivalent du montage est obtenu en deux étapes :
 Etape 1 :
Montage Emetteur Commun en régime dynamique
 Etape 2 :
Montage Emetteur Commun hybride en régime dynamique
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 A partir de ce dernier circuit, les paramètres caractéristiques du montage amplificateur
sont :
 Impédance d’entrée (à vide : sans RL , comme à charge : avec RL ) :
 Impédance de sortie : En éteignant l’unique source indépendante ve , on a ib = 0
Et par conséquent la source liée de courant ib est déconnectée. On a, alors :
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 Amplification en tension :
 à vide :
 à charge :
Le signe (-) veux dire que les tensions d’entrée et de sortie sont en opposition de
phase.
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 Amplification en courant:
 à vide :
 à charge :
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 Amplification en puissance:
 à vide :
 à charge :
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Montage Collecteur Commune (CC)
Montage Collecteur Commun
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Montage Collecteur Commun en régime dynamique.
Schéma équivalent hybride de l’amplificateur en CC
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Ses paramètres caractéristiques sont (On notera
)
 Impédance d’entrée
 à vide :
 à charge et, en notant
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 Impédance de sortie :
Seule la f.e.m. eg est court-circuitée ( Rg reste dans le circuit ).
En notant R = R1 // R2 // Rg on trouve :
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 à vide :
 à charge:
99
 à vide :
 à charge:
100
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Montage Base Commune (BC)
Montage base Commune
101
Montage Base Commun en régime variable.
Circuit équivalent hybride de l’amplificateur Base Commun
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 Impédance d’entrée (à vide comme à charge) :
 Impédance de sortie :
103
 à vide :
 à charge:
104
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 à vide :
 à charge:
105
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Présentation PowerPoint - Institut Supérieur de Sciences

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